Ultrasonografia 3D în realitate augmentată îmbunătățește performanța începătorilor
Interpretarea imaginilor medicale obținute prin ultrasunete este o sarcină complexă, care necesită ca tehnicianul să analizeze imagini 2D și să le reordoneze mental pentru a obține o reprezentare 3D a țesutului.
Pentru a facilita această activitate, cercetătorii de la MIT au dezvoltat o nouă metodă de imagistică prin ultrasunete care permite utilizatorului să vizualizeze o imagine 3D în realitate augmentată a obiectului scanat. Folosind un headset de realitate virtuală, aceștia pot observa o reprezentare digitală 3D precisă a ceea ce arată obiectul, facilitând identificarea și analiza.
Această tehnică ar putea accelera procesul de formare pentru tehnicienii de ultrasunete și alți furnizori de servicii medicale care utilizează această tehnologie. De asemenea, ar putea fi utilizată în spitale, pentru sarcini precum plasarea precisă a unui ac în locul corect pentru o biopsie.
În scopul instruirii, acest sistem ar putea face utilizarea ultrasunetelor mai intuitivă și mai ușor de înțeles. Din perspectiva clinică, ar putea să fie mai puțin consumatoare de timp, mai precisă și să ofere mai multă liniște profesională. Astfel, furnizorii de servicii medicale nu ar mai trebui să se îngrijoreze că au ratat detalii importante.
Canan Dagdeviren, profesor asociat de arte și științe media la MIT și autor senior al studiului, a declarat: „Suprapunerea imaginilor cu anatomia și oferirea unui context vizual 3D face ca ultrasunetele să fie semnificativ mai ușor de înțeles pentru novici.”
Studiul, publicat în Nature Communications Engineering, a fost realizat de studenții absolvenți ai MIT, Jason Hou și Shrihari Viswanath, alături de Bowen Wu ’24 și alți doi studenți din Programul de Cercetare de Vară de la MIT, Cinay Dilibal, senior la Dartmouth College, și Tanisha Shende, senior la Oberlin College.
Imaginile prin ultrasunete funcționează prin reflectarea undelor sonore de înaltă frecvență asupra țesuturilor din corp, care sunt apoi returnate către un transductor de ultrasunete. Acesta convertește undele sonore în semnale electrice, ce sunt folosite pentru a crea o imagine 2D a țesutului. Tehnicienii de ultrasunete sunt instruiți să transforme aceste imagini în reprezentări mentale 3D ale țesutului.
„Este o abilitate dificil de stăpânit, iar procesul de învățare este îndelungat”, a spus Hou. „Cea mai dificilă parte este acest blocaj cognitiv de tomografie, unde ești instruit să reconstructezi feliile 2D în spațiul tău mental 3D. Aceasta este o povară cognitivă care poate duce la inexactități în scanare.”
Pentru a reduce această sarcină cognitivă, echipa MIT a decis că ar fi util să combine două tehnologii: imaginile 3D prin ultrasunete și realitatea augmentată.
Imaginile 3D prin ultrasunete sunt folosite ocazional în domenii precum imagistica fetală și ecocardiografia, dar majoritatea sistemelor de acest tip sunt costisitoare și nu sunt disponibile pe scară largă. În cadrul acestui studiu, echipa MIT a utilizat un sistem 3D în timp real, dezvoltat recent pentru detectarea cancerului de sân.
Noul sistem include o sondă de ultrasunete, puțin mai mică decât un pachet de cărți, care transmite informații folosind un sistem de achiziție de date chirped (cDAQ). Sonda conține o matrice de ultrasunete aranjată într-o configurație pătrată goală, ceea ce permite obținerea imaginilor 3D ale țesutului de dedesubt.
Deoarece acest sistem are mai puține elemente de ultrasunete decât un sistem 3D tipic, necesită mai puțină energie și este mai ieftin de construit.
Datele colectate de sonda de ultrasunete pot fi comprimate și transmise într-un motor grafic 3D numit Unreal Engine, care convertește datele voxel obținute din imaginea prin ultrasunete într-o reprezentare 3D directă a obiectului, fără pierderi de informație. Pur și simplu prin purtarea unui headset AR/VR, utilizatorul poate vedea această redare 3D reprezentând structura internă, suprapusă peste locația reală a obiectului – asemănător cu viziunea prin raze X. Prin înclinarea capului sau apropierea dintr-o altă direcție, utilizatorul poate observa diferite unghiuri ale obiectului, ceea ce facilitează identificarea acestuia.
Cercetătorii au testat noua tehnologie, pe care o numesc AR-VIU (imagistică volumetrică augmentată în timp real în ultrasunete), cu un grup de 18 participanți. Nouă dintre subiecți erau experți în tehnologia ultrasunetelor (inclusiv sonografi și medici), iar nouă nu utilizaseră niciodată ultrasunete până atunci.
Fiecare utilizator a realizat sarcini de identificare folosind patru tehnologii diferite de ultrasunete. Într-o condiție, au vizualizat imagini 2D pe un ecran obișnuit, care este metoda utilizată în prezent pentru majoritatea ultrasunetelor. De asemenea, au vizualizat imagini 3D pe un ecran obișnuit, precum și două condiții de realitate augmentată: una 2D și una 3D (AR-VIU).
Într-un set de experimente, utilizatorii au fost rugați să identifice un obiect încorporat în gelatină – cum ar fi un arc, o minge sau un șurub – într-un container opac care a fost scanat cu ultrasunete. Într-un alt set, au fost rugați să folosească un pix pentru a marca locația unei „fantome de țesut” – un material gelatinos creat pentru a imita țesutul uman. Aceasta simulează sarcina de a localiza locul corect pentru un ac în timpul unei biopsii.
Cercetătorii au constatat că sistemul AR-VIU a îmbunătățit semnificativ capacitatea tuturor utilizatorilor de a identifica și localiza obiecte. Efectul a fost deosebit de puternic pentru novici, care au performat aproape la fel de bine ca experții atunci când foloseau AR-VIU. Când au utilizat sistemul tradițional de imagistică 2D, experții au avut rezultate mult mai bune decât novicii.
„Suprapunerea imaginilor cu anatomia și oferirea unui context vizual 3D face ca ultrasunetele să fie semnificativ mai ușor de înțeles pentru novici”, a afirmat Viswanath.
În interviurile acordate după experimente, majoritatea novicilor au declarat că preferă abordarea AR-VIU, mulți menționând că le-a făcut sarcinile mai ușoare.
„Sistemul 3D impune o povară cognitivă mai mică, este mai intuitiv și este mai ușor de înțeles ce se întâmplă în regiunea țintită”, a adăugat Dagdeviren.
Mulți dintre experți au spus că preferă imaginile 2D tradiționale, deoarece aceasta este metoda cu care erau obișnuiți și pentru care au fost pregătiți. Totuși, aceștia au recunoscut beneficiile sistemului AR-VIU în anumite situații, cum ar fi plasarea unui ac pentru o biopsie sau vizualizarea mișcării pereților inimii în timpul ecocardiografiei.
Cercetătorii lucrează acum la îmbunătățirea rezoluției imaginilor și la efectuarea de teste suplimentare pentru a demonstra acuratețea tehnologiei AR-VIU.
